Det tar 512 år för en foton med hög energi att resa från närmaste neutronstjärna till jorden. Bara några av dem gör resan. Men de har den information som krävs för att lösa en av de svåraste frågorna inom astrofysik.
Fotonerna skjuter ut i rymden i en energisk rusning. Heta strålar av röntgenenergi brast från ytan av den lilla, ultradensa, snurrande rest av en supernova. Strålarna sprids över långa århundraden i transit. Men en gång i taget expanderar en enda punkt röntgenstrålningsljus som reste 157 parsecs (512 ljusår) över rymden - 32 miljoner gånger avståndet mellan Jorden och solen - mot Internationella rymdstationens (ISS) X -ray-teleskop, smeknamn NICER. Sedan, ner på jorden, kommer en textfil in i en ny datapunkt: fotonens energi och dess ankomsttid, mätt med mikrosekund noggrannhet.
Den datapunkten, tillsammans med otaliga andra som den samlas in under månader, kommer att besvara en grundläggande fråga så snart sommar 2018: Hur bred är J0437-4715, jordens närmaste granne med neutronstjärnor?
Om forskare kan ta reda på bredden på en neutronstjärna, berättade fysiker Sharon Morsink till en mängd forskare vid American Physical Society (APS) april 2018, att information kunde peka vägen mot att lösa ett av de stora mysterierna i partikelfysik: Hur uppträder materia när det skjuts till dess vildaste ytterligheter?
På jorden, med tanke på mänsklighetens befintliga teknik, finns det några hårda gränser för hur tät substans kan bli, även i extrema laboratorier, och ännu hårdare gränser för hur länge den tätaste materien som forskare gör kan överleva. Det betyder att fysiker inte har kunnat ta reda på hur partiklar beter sig vid extrem täthet. Det finns bara inte många bra experiment tillgängliga.
"Det finns ett antal olika metoder som människor kommer med för att försöka säga hur supertät materia ska bete sig, men de är inte alla överens," Morsink, en fysiker vid University of Alberta och medlem av en NASA-arbetsgrupp fokuserade på bredden av neutronstjärnor, berättade Live Science. "Och hur de inte alla är överens kan faktiskt testas eftersom var och en av dem gör en förutsägelse för hur stor en neutronstjärna kan vara."
Med andra ord är lösningen på mysteriet med ultradens materia låst in i några av universumets tätaste föremål - neutronstjärnor. Och forskare kan knäcka det mysteriet så snart de mäter exakt hur breda (och därför täta) neutronstjärnor egentligen är.
Partikelfysik i djupa rymden
"Neutronstjärnor är de mest upprörande föremål som de flesta människor aldrig har hört talas om," sa forskaren Zaven Arzoumanian från NASA till fysiker vid mötet i Columbus, Ohio.
Arzoumanian är en av cheferna för NASA: s projekt Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER), som utgör den tekniska grunden för Morsinks arbete. NICER är ett stort, svängbart teleskop monterat på ISS; den övervakar och exakt gånger röntgenstrålarna som anländer till området med låg jordbana från djupa rymden.
En neutronstjärna är kärnan som lämnas kvar efter en massiv supernovaexplosion, men den tros inte vara mycket bredare än en medelstor stad. Neutronstjärnor kan snurra vid höga bråkdelar av ljusets hastighet och skjuta flimrande strålar av röntgenenergi ut i rymden med mer exakt tidtagning än att kryssa av atomur.
Och viktigast av allt för Morsink och hennes kollegas ändamål är neutronstjärnor de tätaste kända föremålen i universum som inte har kollapsat i svarta hål - men till skillnad från svarta hål är det möjligt för forskare att ta reda på vad som händer inom dem. Astronomer behöver bara veta exakt hur breda neutronstjärnor egentligen är, och NICER är instrumentet som äntligen borde besvara den frågan.
Quark soppa
Forskare vet inte exakt hur materien uppför sig i den extrema kärnan i en neutronstjärna, men de förstår tillräckligt för att veta att det är väldigt konstigt.
Daniel Watts, en partikelfysiker vid University of Edinburgh, berättade för en separat publik vid APS-konferensen att inre av en neutronstjärna i huvudsak är ett stort stort frågetecken.
Forskare har några utmärkta mätningar av massorna av neutronstjärnor. Massan av J0437-4715 är till exempel cirka 1,44 gånger solens, trots att den är mer eller mindre på Lower Manhattan. Det betyder, säger Morsink, att J0437-4715 är mycket tätare än en atomkärna - det överlägset det tätaste föremålet som forskare möter på jorden, där den stora majoriteten av en atoms materia samlas i bara en liten fläck i dess centrum.
På den nivå av densitet, förklarade Watts, är det inte alls klart hur materien beter sig. Kvarkar, de små partiklarna som utgör neutroner och protoner, som utgör atomer, kan inte existera fritt på egen hand. Men när materien når extrema tätheter, kan kvarker hålla bindning i partiklar som liknar dem på jorden, eller bilda större, mer komplexa partiklar, eller kanske helt och hållet samman i en mer generaliserad partikelsoppa.
Vad forskarna vet, berättade Watts för Live Science, är att detaljerna i hur materien beter sig vid extrema tätheter kommer att avgöra hur breda neutronstjärnorna faktiskt blir. Så om forskare kan komma med exakta mätningar av neutronstjärnor kan de begränsa möjligheterna för hur materien beter sig under dessa extrema förhållanden.
Och att besvara den frågan, sa Watts, kan låsa upp svar på alla slags partikel-fysik mysterier som inte har något att göra med neutronstjärnor. Till exempel, sa han, kan det hjälpa till att svara på hur individuella neutroner ordnar sig i kärnorna i mycket tunga atomer.
NICER-mätningar tar tid
De flesta neutronstjärnor, sade Morsink, tros vara mellan 20 och 28 kilometer breda, även om de kan vara så smala som 16 km. Det är ett mycket snävt område i astronomiska termer men inte riktigt noggrant för att svara på de frågor som Morsink och hennes kollegor är intresserade av.
För att pressa mot ännu mer exakta svar studerar Morsink och hennes kollegor röntgenstrålar som kommer från snabbt snurrande "hotspots" på neutronstjärnor.
Även om neutronstjärnor är oerhört kompakta sfärer, orsakar deras magnetfält energin från deras ytor ganska ojämn. Ljusa lappar bildas och svampar på sina ytor och piskar runt i cirklar när stjärnorna vänder många gånger i sekundet.
Det är där NICER kommer in. NICER är ett stort, svängbart teleskop monterat på ISS som kan lägga tid på ljuset från dessa fläckar med otrolig regelbundenhet.
Det gör att Morsink och hennes kollegor kan studera två saker, som båda kan hjälpa dem att räkna ut en neutronstjärns radie:
1. Rotationshastigheten: När neutronstjärnan snurrar, sade Morsink, blinkar den ljusa fläcken på ytan mot och bort från jorden nästan som strålen från en fyr som vrider cirklar. Morsink och hennes kollegor kan noggrant studera NICER-data för att bestämma både exakt hur många gånger stjärnan blinkar varje ögonblick och exakt hur snabb ljuspunkten rör sig genom rymden. Och hastigheten för ljuspunktens rörelse är en funktion av stjärnans rotationshastighet och dess radie. Om forskare kan ta reda på rotationen och hastigheten är radien relativt lätt att bestämma.
2. Lätt böjning: Neutronstjärnor är så täta att NICER kan upptäcka fotoner från stjärnans ljusa punkt som sköt in i rymden medan fläcken pekades bort från jorden. En neutronstjärns tyngdkraftbrunn kan böja ljuset så skarpt att dess fotoner vänder mot och smackar in i NICERs sensor. Ljuskurvhastigheten är också en funktion av stjärnans radie och dess massa. Så genom att noggrant studera hur mycket en stjärna med en känd massa böjer ljus, kan Morsink och hennes kollegor räkna ut stjärnans radie.
Och forskarna är nära att meddela sina resultat, sa Morsink. (Flera fysiker vid hennes APS-samtal uttryckte en viss besvikelse över att hon inte hade meddelat ett specifikt nummer och spänning över att det skulle komma.)
Morsink berättade för Live Science att hon inte försökte reta det kommande tillkännagivandet. NICER har bara inte samlat tillräckligt med fotoner än för att teamet ska kunna erbjuda ett bra svar.
"Det är som att ta en tårta ur ugnen för tidigt: Du slutar bara med en röra," sa hon.
Men fotonerna anländer, en efter en, under NICER: s månader av periodisk studie. Och ett svar är att närma sig. Just nu tittar teamet på data från J0437-4715 och jordens näst närmaste neutronstjärna, som är ungefär dubbelt så långt borta.
Morsink sa att hon inte är säker på vilken neutronstjärns radie hon och hennes kollegor kommer att publicera först, men hon tillade att båda meddelandena kommer att komma inom några månader.
"Målet är att detta ska ske senare i sommar, där" sommar "används i ganska bred mening", sade hon. "Men jag skulle säga att senast i september borde vi ha något."
